2.3. Категории разгрузки. Уставки АЧР
На первых этапах внедрения [33] построение и расчет АЧР были ориентированы в основном на работу разгрузки в отдельной изолированной энергосистеме. При небольшом количестве очередей (четыре-пять) и устройств разгрузки мощность каждой очереди выбиралась исходя из условия восстановления частоты от значения уставки данной очереди до частоты, близкой к номинальной. При этом выдвигалось требование обеспечения селективности действия очередей разгрузки.
При таком положении мощность каждой очереди разгрузки и ступени по частоте между смежными очередями были большими. Как показал обыт эксплуатации, в условиях многообразия возможных аварийных дефицитов мощности в объединенных энергосистемах, при вероятностном характере возникновения и развития аварийных ситуаций, значительных объемах потребителей, подключенных к каждой очереди АЧР, и малом числе очередей разгрузки в одних случаях в результате действия АЧР происходило излишнее отключение потребителей (подъем частоты выше 50 Гц), а в других случаях действие АЧР не обеспечивало необходимого подъема частоты.
Таким образом, по своим принципам такая система разгрузки органически не удовлетворяла основному требованию— она не была адаптивной, «самонастраивающейся» с точки зрения объема отключаемой нагрузки, она не «приспосабливалась» к протеканию каждой из множества возможных аварий. Следует также отметить, что расчет АЧР по прежней методике был сложным и требовал определения мощности и уставок каждой укрупненной очереди.
Реализуемая в настоящее время автоматическая частотная разгрузка выполнена применительно к условиям объединенных энергосистем с учетом многообразия возможных аварий ввиду вероятностного характера значений дефицита мощности, его территориального распространения, возможности срабатывания различных устройств автоматики в зависимости от характера развития аварийных процессов и т. д.
Основной принцип, положенный в основу современной разгрузки,— существенное увеличение числа очередей. Ступени между очередями при этом принимаются минимальными. Как следствие этого, значение разгрузки, приходящееся на одну очередь, значительно меньше, чем при малом числе очередей, применявшемся ранее. Чем больше число очередей и, следовательно, чем меньше нагрузка, отключаемая каждой очередью, тем более гибкой становится вся система разгрузки.
Таким образом, осуществлен переход от дискретной системы разгрузки малым числом крупных по мощности очередей к «плавной», «непрерывной» системе разгрузки большим числом малых по мощности очередей, близкой к системе автоматического регулирования, что и обеспечивает ее «самонастройку» с точки зрения объема отключаемой нагрузки в условиях объединенных энергосистем. Дополнительным фактором, обеспечивающим «непрерывность» разгрузки, является естественный разброс в уставках по частоте очередей АЧР за счет погрешностей реле частоты. Этот эффект проявлялся и в ранее выполнявшейся системе разгрузки, однако, учитывая, что ступени между смежными очередями ранее составляли 0,5—0,7 Гц, он, естественно, не мог обеспечить кардинального решения проблемы «самонастройки» разгрузки, тем более что к каждой очереди была подключена значительная мощность.
«Самонастройка» разгрузки, кроме выполнения ее большим числом очередей, достигается также разбиением всех устройств на несколько категорий:
а) АЧР1 —быстродействующая разгрузка, имеющая различные уставки по частоте;
б) АЧРП — медленнодействующая разгрузка с близкими уставками по частоте и разными уставками по времени;
в) дополнительная—действующая при больших дефицитах мощности и предназначенная для ускорения отключения потребителей и увеличения объема отключаемой нагрузки (отдельно рассматривается в гл. 3).
Кроме того, в ряде энергосистем выполняется так называемая спецочередь АЧР, предназначенная для предотвращения снижения частоты в ЕЭС СССР (ОЭС) до верхних уставок АЧРП в случаях, когда в напряженных режимах по каким-либо причинам не удается реализовать оперативные ограничения и отключения потребителей, а также для разгрузки межсистемных связей при возникновении дефицита мощности.
Устанавливаются следующие граничные уставки АЧР по частоте и времени [54]:
верхний уровень уставок по частоте АЧРП — от 48,8 до 48,6 Гц;
нижний уровень уставок по частоте АЧРП — на 0,3 Гц ниже верхнего уровня, интервал по частоте между очередями АЧРП — 0,1 Гц;
начальная уставка по времени АЧРП = 5-т-10с; ,
конечная уставка по времени АЧРП = 60 с, а в условиях возможной мобилизации мощности на ГЭС — 70—90 с; очереди АЧРП с более низкими уставками по частоте должны иметь большие уставки по времени;
верхний уровень уставок по частоте АЧР1 —на 0,2 Гц ниже соответствующего верхнего уровня АЧРП;
нижний уровень уставок по частоте АЧР1—не ниже 46,5 Гц;
уставка по времени АЧР1 — минимальная (по условиям предотвращения ложной работы реле частоты),
уставки по частоте спецочереди АЧР—в диапазоне 49,2— 49 Гц.
Резерв мощности тепловых электростанций обычно не превышает 50%, а в большинстве случаев он значительно меньше этого значения или отсутствует совсем. Для отечественных паровых турбин нормативный статизм АРЧВ составляет (4,5±0,5)%. При таком статизме в случае снижения частоты на 2% (1 Гц) даже при наибольшем резерве 50% регулирующие клапаны турбин полностью открываются, и если частота продолжает снижаться ниже 49 Гц, это означает, что вращающийся резерв мощности на тепловых электростанциях практически исчерпан.
Верхние уставки АЧРН и АЧР1 принимаются близкими к 49 Гц, чтобы отключение потребителей происходило после того, как будет реализован полностью или в значительной степени резерв мощности на ТЭС и чтобы частота восстанавливалась до уровней, при которых допустима длительная работа турбин и электростанций в целом. Нижний уровень уставок по частоте АЧР1 выбран из условия предотвращения глубоких снижений частоты.
Назначение указанных категорий разгрузки следующее. АЧР1 имеет одну цель—прекратить снижение частоты после возникновения дефицита мощности. По мере снижения частоты срабатывают очереди этой категории разгрузки 1, 2, 3, 4', 5', 6' со все более низкими уставками по частоте, и скорость снижения частоты постепенно падает (рис. 2.6). После срабатывания ряда очередей АЧР1 частота устанавливается на некотором уровне fmиn, превышающем минимально допустимый, что и является конечной целью работы этой категории разгрузки.
Рис 2 6 Изменение частоты при работе АЧР:
1, 2', 3’, 4', 5', 6'—срабатывание очередей АЧР1, 1, 2", 3"—срабатывание очередей АЧРН (для упрощения принято, что очереди АЧРН имеют единую уставку по частоте.
С целью увеличения общего числа очередей разгрузки минимальные интервалы (ступени) уставок по частоте очередей АЧР1 в пределах отдельного района или энергосистемы могут * быть приняты до 0,1 Гц.
* Ускорение действии АЧР1 существенно снижает вероятность глубокого снижения частоты (см. § 3.1), поэтому следует стремиться к сокращению выдержки времени очередей АЧР1. В условиях возможного возникновения значительных дефицитов мощности выдержку времени очередей АЧР1 с индукционным реле частоты следует принимать не более 0,2—0,3 с, а очередей АЧР1 с полупроводниковым реле частоты 0—0,15 с.
Такое значение принято в настоящее время исходя из точности генераторов частоты, с помощью которых производится настройка устройств, хотя принципиально можно было бы принимать эти интервалы и меньшими. При таких интервалах между очередями АЧР1 в пределах отдельных энергосистем в масштабе энергообъединений интервалы между очередями этой категории разгрузки оказываются, как правило, равными 0,05—0,1 Гц.
Поскольку при действии АЧР1 отключение нагрузки производится большим числом малых по мощности очередей, эта категория разгрузки по принципу ее работы не предназначена и не может осуществлять подъем частоты (за исключением ряда особых случаев, рассматриваемых ниже). Функции подъема частоты возлагаются на АЧРН. После того как с помощью АЧР1 предотвращено глубокое снижение частоты, одна за другой вступают в работу очереди АЧРН, которые запустились при частотах, несколько превышающих или примерно равных верхней уставке АЧР1 (рис. 2.6). Через время t1, после запуска сработает первая очередь АЧРН, через время t2,— вторая и т. д.
Для обеспечения гибкости и адаптивности разгрузки желательно, чтобы очереди АЧРН вступали в работу после того, как закончится срабатывание очередей АЧР1. В то же время целесообразно особо не затягивать восстановление частоты. Чтобы удовлетворить эти два требования одновременно, принята начальная уставка по времени очередей АЧРН порядка 5—10 с.
Как показано в гл. 7, для предотвращения излишней работы АЧР при синхронных качаниях при уставках 47,5—49 Гц достаточна выдержка времени 0,25—0,3 с, а в большинстве случаев н 0,1—0,15 с. Излишнее действие при синхронных качаний очередей с уставками по частоте 46,5—47,5 Гц практически исключено. Для предотвращения ложной работы устройств АЧР с индукционным реле частоты ИВЧ при снятии и подаче контролируемого напряжения достаточна выдержка времени 0,25—0,3 с. Полупроводниковое реле частоты РЧ-1 в этих условиях ложно не работает (см. гл. 6). Подъем частоты в результате действия АЧРН происходит в общем случае по экспоненциальному закону. Если частота снижается достаточно быстро, то все очереди АЧРН запускаются примерно одновременно, и если их выдержки времени отличаются незначительно, то за время подъема частоты до необходимого уровня количество сработавших очередей может оказаться таким, что ряд потребителей будет отключен излишне. Во избежание подобных явлений желательно, чтобы в процессе подъема частоты срабатывание последующих очередей АЧРП (с большими уставками по времени) происходило после того, как произойдет восстановление частоты (с учетом постоянной времени изменения частоты) в результате работы предыдущей очереди. С другой стороны, для обеспечения гибкости разгрузки целесообразно увеличивать число очередей, причем чем больше будет очередей АЧРП, тем менее жестким (с точки зрения ступеней по времени) будет предыдущее требование к уставкам по времени очередей АЧРП.
С учетом указанных требований в пределах энергосистемы или района минимальные интервалы уставок по времени очередей АЧРП в соответствии с [30, 54] принимаются, как правило, равными 3 с. С целью увеличения числа очередей АЧРП допускается применение ступени по времени менее 3 с.
Поскольку АЧРП, как и АЧР1, выполняется большим числом небольших по мощности очередей, восстановление частоты в результате действия очередей этой категории разгрузки будет происходить до тех пор, пока не будет достигнута уставка возврата очередей АЧРП.
Рис. 2 7. Изменение частоты при ликвидации аварии с нарастающим дефицитом мощности:
1', 2‘, 3'. 4'—срабатывание очередей АЧР1, 1", 2, 3", 4”, 5", 6", 7"—срабатывание очередей АЧРН (для упрощения принято, что очереди АЧРП имеют единую уставку по частоте.
Таким образом, если не принимаются специальные меры для подъема частоты до более высоких уровней, частота восстановится, как правило, до значений примерно 48,6—49,2 Гц.
Кроме задачи подъема частоты после работы АЧР1 на АЧР2 возлагаются также функции предотвращения зависания частоты на уровне ниже уставок по частоте АЧРН. Такие ситуации могут возникать в процессе ликвидации аварийной ситуации из-за возникновения «нерасчетной» аварии, нарастания дефицита в процессе аварии, неправильных действий персонала И т. д.
Характерной особенностью сложных энергообъединений, как указывалось выше, является возможность каскадного развития аварии с повторяющимися медленными снижениями частоты (см. рис. 2.1). Поскольку при первоначальном снижении частоты первые очереди АЧР1 уже сработали, то при таких медленных процессах функции как предотвращения снижения частоты, так и ее восстановления также возлагаются на АЧРП, и объем этой категории разгрузки должен быть рассчитан на такой характер протекания аварии. Тогда авария будет ликвидироваться следующим образом (рис. 2.7). При первоначальном снижении частоты и в первом цикле ее восстановления сработают несколько первых очередей АЧР1 (1, 2, 3', 4') и АЧРН (1, 2"). При повторном медленном снижении частоты, которое начинается с момента t1, последующие очереди АЧР1 не работают (поскольку частота не достигает их уставок), а срабатывают несколько последующих очередей АЧРП (3", 4") и восстанавливают частоту. Если после этого частота по каким-либо причинам вновь начнет снижаться, то процесс ее восстановления протекает аналогично — очереди АЧР1 не работают, а срабатывают последующие очереди АЧРП (5", 6", 7") с большими уставками по времени.
Допускается за счет разброса уставок реле частоты неселективная работа смежных очередей АЧР1, а также срабатывание отдельных устройств АЧРН при приближении частоты к их уставке. Для того чтобы при приближении частоты к верхним уставкам АЧРН из-за неселективной работы смежных очередей не происходило отключение наиболее ответственных потребителей, которые подключаются к последним (с большими уставками по времени) очередям, уставки по частоте последних очередей, как указывалось, принимаются на 0,2—0,3 Гц ниже верхних уставок АЧРН. Поскольку каждая из очередей АЧР отключает небольшую мощность, неселективная работа смежных очередей практически не оказывает влияния на процесс ликвидации аварийной ситуации и не приводит к существенному нарушению последовательности отключения потребителей, причем отрицательные последствия этого явления тем меньше, чем больше число очередей и меньше доля разгрузки, приходящейся на каждую очередь. В связи с этим следует стремиться к увеличению не только числа очередей АЧР, но и числа устройств в каждой очереди. Это также позволит уменьшить последствия от неправильных действий и отказов отдельных устройств разгрузки.
Таким образом, описанный принцип выполнения разгрузки большим числом малых по мощности очередей с разбиением их на две категории—АЧР1 и АЧРН — позволяет (при правильно выбранном объеме разгрузки) ликвидировать любую аварийную ситуацию, как бы сложно она ни развивалась. При однократном единовременно возникающем дефиците мощности действие АЧР органически согласовывается с протеканием процесса — сначала срабатывают очереди АЧР1 со все более и более низкими уставками по частоте, а затем очереди АЧР2 со всебольшими уставками по времени. При сложном характере протекания аварии с нарастающими иди повторяющимися дефицитами мощности также обеспечивается восстановление частоты до необходимых уровней за счет совместного действия АЧР1 и АЧР2 с преимущественным срабатыванием второй категории разгрузки.